移动机器人旋转电弧传感焊枪偏差与倾角检测及角焊缝跟踪

论文摘要

随着工业技术的不断发展,大型结构件的应用越来越多。在这些大型结构件的焊接生产中存在大量的弯曲角焊缝和折线角焊缝,实现这些焊缝的自动化焊接对于提高生产效率和保证产品质量具有非常重要的意义。这些工件结构庞大,很多焊接作业必须在现场进行,难以采用手臂式机器人进行自动焊接,也难以采用编程或示教的方式进行焊缝跟踪;另外在对这些焊缝进行自动焊接时,不仅要控制焊枪跟踪焊缝移动,同时还要调整焊枪的倾角,以保证焊接质量。为此,本文以轮式移动焊接机器人为平台,解决大范围移动焊接问题;同时采用旋转电弧作为传感器,进行焊枪偏差识别与倾角检测,从而实现大型构件角焊缝自动焊接。研究内容主要包括:焊接电流信号的滤波处理;焊枪偏差与倾角检测;水平弯曲角焊缝、具有直角转弯的角焊缝和水平折线角焊缝跟踪及焊枪倾角调整控制器的设计。针对焊接电流信号易受外界噪声干扰影响的问题,本文提出以软阈值小波滤波为核心的组合滤波算法,对旋转电弧传感器采集到的电流信号进行滤波处理,使电流波形得到了明显地改善,提高了电流信号的信噪比,为焊枪的偏差和倾角检测奠定了基础。对特征谐波法在焊枪偏差和倾角检测中的应用问题进行了理论研究并给出了试验验证,发现该方法可以用来对焊枪偏差和倾角进行同时检测,扩展了特征谐波法的应用范围。指出在焊枪倾角不为零时,传统的采用一次谐波幅值检测焊枪偏差大小的方法会产生较大误差。为了提高焊枪偏差的检测精度,首次提出特征平面法对焊枪偏差和倾角同时进行检测。该方法充分利用旋转电弧传感器采集得到的焊接电流信息,采用最小二乘原理在三维空间构建特征平面,通过求特征平面与坐标平面交线的斜率,将焊枪偏差和焊枪倾角信息分别投影到两个正交的平面上,实现了二者的解耦。针对焊接过程难以建模的问题,采用分段控制策略设计控制器对水平滑块进行控制,该控制器在大偏差时采用比例控制,在小偏差时采用参数自调整模糊控制,并利用免疫反馈规律对比例因子进行修正,实现了直线焊缝、小曲率焊缝的跟踪。针对水平弯曲角焊缝跟踪的特点,设计模糊控制器对水平滑块和车轮进行协调控制,采用焊枪偏差信息获得机器人运动方向和焊缝走向之间的角度偏差,控制车轮转弯,并采用预测控制原理对控制量进行修正,实现水平弯曲角焊缝的平滑跟踪。在船舱格子形角焊缝焊接中,存在90度的直角转弯,给跟踪控制带来了很大难度。文中详细介绍了如何利用焊枪倾角信息检测拐角点,利用超声波传感器测量前方焊缝位置的方法。并对机器人的运动学模型进行推导,设计控制器实现此类焊缝的跟踪焊接。对于变化角度较大的折线角焊缝跟踪问题,设计带有转动关节的焊枪,并将该焊枪置于移动机器人平台上,设计控制器利用焊枪偏差和倾角信息,首次实现在焊缝跟踪的同时对焊枪的倾角进行调整。最后通过实际焊接试验证明了本文研究工作的有效性。另外,本文所设计的焊缝跟踪系统在九江同方江新造船厂进行了生产现场实际试用,取得了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 焊接机器人技术及其应用现状
• 1.2.1 机器人技术概述
• 1.2.2 焊接机器人的应用现状
• 1.3 焊接信息传感技术
• 1.3.1 接触式传感器
• 1.3.2 电磁感应式传感器
• 1.3.3 声学传感器
• 1.3.4 光学传感器
• 1.3.5 电弧传感器
• 1.4 智能控制技术在焊接过程中的应用
• 1.4.1 智能控制概述
• 1.4.2 智能控制方法
• 1.4.3 智能控制在焊接过程控制中的应用
• 1.5 本文的主要研究工作
• 1.6 本章小节
• 第2章 系统硬件和软件构成
• 2.1 轮式移动机器人焊缝跟踪硬件系统
• 2.2.1 系统总体结构
• 2.2.2 移动机器人机械结构
• 2.2.3 控制系统结构
• 2.2.4 旋转电弧传感器结构及调速系统
• 2.2 机器人伺服系统性能测试
• 2.2.1 小车运动性能
• 2.2.2 十字滑块运动性能
• 2.3 系统软件结构设计
• 2.4 旋转电弧传感原理及传感器系统辨识
• 2.4.1 旋转电弧传感原理及数学物理模型
• 2.4.2 旋转电弧传感器系统辨识
• 2.5 本章小节
• 第3章 旋转电弧传感信号处理及焊枪偏差和倾角检测
• 3.1 电弧电流信号滤波处理
• 3.1.1 旋转电弧电流信号时频特性
• 3.1.2 均值滤波
• 3.1.3 中值滤波
• 3.1.4 软阈值小波滤波
• 3.1.5 旋转电弧电流信号滤波过程
• 3.2 焊枪偏差信息识别
• 3.2.1 区间积分法偏差识别
• 3.2.2 特征谐波法偏差识别
• 3.2.3 焊枪偏差识别试验研究
• 3.3 焊枪倾角信息识别
• 3.3.1 焊枪倾角对焊枪偏差检测的影响
• 3.3.2 特征谐波法在焊枪倾角识别中的应用
• 3.3.3 特征平面法
• 3.4 本章小节
• 第4章 焊缝跟踪参数自调整模糊控制器设计
• 4.1 问题描述
• 4.2 PID控制器设计与试验研究
• 4.2.1 PID控制原理
• 4.2.2 数字式PID控制算法
• 4.2.3 焊缝跟踪试验
• 4.3 参数自调整模糊控制器设计
• 4.3.1 控制器结构设计
• 4.3.2 模糊控制器的设计
• 4.3.3 带免疫修正因子的自调整模糊控制
• 4.3.4 控制量约束
• 4.4 试验研究
• 4.4.1 数值仿真试验
• 4.4.2 实际焊接试验
• 4.4.3 生产现场试用情况
• 4.5 本章小节
• 第5章 水平弯曲角焊缝跟踪控制
• 5.1 问题描述
• 5.2 机器人运动学建模与轨迹跟踪仿真
• 5.2.1 机器人运动学建模
• 5.2.2 轨迹跟踪控制器设计
• 5.2.3 仿真研究
• 5.3 车轮转弯模糊控制器设计
• 5.3.1 控制器系统结构
• 5.3.2 机器人本体与焊缝位置关系的确定
• 5.3.3 机器人转弯模糊控制器的设计
• 5.3.4 试验研究
• 5.4 车轮转弯模糊预测控制器设计
• 5.4.1 预测控制基本原理
• 5.4.2 控制器结构
• 5.4.3 焊枪前端位置预测
• 5.4.4 焊缝轨迹预测
• 5.4.5 试验研究
• 5.5 本章小节
• 第6章 焊枪倾角控制与试验研究
• 6.1 具有直角转弯的角焊缝跟踪控制
• 6.1.1 问题描述
• 6.1.2 机器人运动学分析
• 6.1.3 运动速度特性分析
• 6.1.4 控制器设计
• 6.1.5 超声波测距
• 6.1.6 跟踪焊接试验
• 6.2 折线焊缝跟踪中的焊枪倾角控制
• 6.2.1 问题描述
• 6.2.2 机器人运动学模型
• 6.2.3 仿真研究
• 6.2.4 控制器设计
• 6.2.5 试验研究
• 6.3 焊枪倾角信息在弯曲焊缝跟踪中的应用
• 6.3.1 基本原理及试验验证
• 6.3.2 控制器设计
• 6.3.3 试验研究
• 6.4 本章小节
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果